Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 

На первую страницу Методика преподавания астрономии
<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Эволюция Земли
(для дополнительного чтения)

Формирование планеты Земля и дальнейшая ее эволюция, особенно начальные этапы, тесно связаны со специфическими характеристиками начального протопланетного сгустка, определившими движение и последовательное объединение частиц в две массивные планетезимали пра-Землю и пра-Луну.

По мнению многих ученых, пра-Земля и пра-Луна сформировались почти одновременно из одного роя мелких сгустков вещества - "промежуточных тел", мелких планетезималей, вращавшихся на расстоянии 0,5-0,9 а. е. от Солнца. По мнению других ученых, пра-Луна была захвачена силой тяготения более массивной планетезимали пра-Земли на поздних стадиях ее формирования. Третья гипотеза объясняет возникновение Луны результатом столкновением пра-Земли с крупной планетезималью (или несколькими мелкими планетезималями) массой около 0,1МÅ , вызвавшего выброс вещества пра-Земли на околоземную орбиту, аккумулировавшегося затем в спутник нашей планеты.

Время аккумуляции Земли составило около 300-400 миллионов лет и окончательно завершилось 5,1 ± 0,1 млрд. лет назад.

По завершению аккумуляции Земли температура на ее поверхности превышала 8000С, на глубине 50 км была выше температуры плавления железа, в центре планеты составляла 10000-15000 К. Период вращения Земли вокруг оси - сутки - составлял всего 6 часов.

Разогрев недр пра-Земли происходил за счет сжатия вещества под давлением вышележащих слоев, распада радиоактивных элементов и бомбардировки поверхности мелкими планетезималями. За 100 миллионов лет на поверхность Земли выпало до 3× 1022 кг вещества, в том числе до 6× 1019 кг летучих веществ (вода, органика и различные газы). При столкновении с Землей они разрушались, взрываясь - происходил нагрев, дегидрация и дегазация, "перемешивание" вещества пра-Земли, сглаживание химических неоднородностей. Молодая формирующаяся Луна находилась на расстоянии нескольких десятков тысяч километров от Земли. Мощные приливные силы тормозили вращение и разогревали недра Земли и Луны.

Этот этап эволюции Земли называют "догеологическим".

Шла крупномасштабная дифференциация вещества: еще до завершения аккумуляции планеты "тонувшие" тяжелые элементы и их соединения образовали первичное ядро и мантию, а "всплывшие" легкие элементы и их соединения образовали тонкую первичную кору, состоявшую как у всех планет земной группы, из вулканических базальтов, перекрытых сверху толщей отложений, родственных по составу каменным метеоритам. Древнейшие каменные породы Земли имеют возраст 3,96 млрд. лет. Под действием высоких температур и давлений базальты метаморфизировались, переплавлялись, обогащались кремнеземом и преобразовывались в гранитно-гнейсовые породы.

Второй этап развития Земли - от образования коры до образования гидросферы - называется "лунным".

На ранних этапах развития Земли кора континентов формировалась под непосредственным влиянием восходящих потоков из мантии, вокруг первоначально сформировавшихся, сложенных серыми гнейсами праконтинентальных ядер, ставших основными частями современных континентов.

Процесс дифференциации недр Земли растянулся на миллиарды лет и не закончился до сих пор. В разных районах он шел с разной, переменной скоростью, что привело к образованию и движению материков и океанских впадин. Тектоническая деятельность - подъем и опускания больших участков поверхности, горизонтальные движения отдельных плит, землетрясения не прекратились в наше время. Легкие расплавы веществ в виде магмы продолжают подниматься из мантии в литосферу и при извержениях вулканов частично прорываются наружу.

Табл. 3

Галактические

Продолжительность, млн. лет

Возрастные границы

Этапы геологической эволюции, млрд. лет

Этапы развития биосферы:

Годы

Сезоны

-от возникновения Земли

-от настоящего времени

Эоны:

Эры:

Периоды:

1

зима-весна

100

100

4 600

Догеологический:
4,5 - 4,6

Азойский

Не выделены

Не выделены

2

лето-осень
зима-весна
лето-осень

500

600

4 500

Лунный:
4,0 - 4,5

("безжизненный")

Не выделены

Не выделены

3
4-5
6-7
8
9-10
11
12-
-16
17
18
19
20

зима-весна

зима-весна

лето-осень

зима -осень
зима-весна
лето
осень

250
500
400
300
400
250
1 000
80-90
70-80
60-70
35
55-60
65-70
45

850
1 350
1 750
2 450
2 700
3 950
4 020
4 090
4 125
4 180
4 245
4 290

3 750
3 500
3 000
2 600
2 300
1 900
1 640
650
560-570
490-500
433
400-405
340-345
270

Катархейский:
3,5 - 4,0
Позднеархейско-раннепротерозойский
2,0 - 3,5
Среднепротерозойско-раннерифейский:
1,4 - 2,0
Позднепротерозойско-
палеозойский:
0,2 - 1,4

Криптозой
("время скрытой жизни")

Фанерозой
("время явной жизни")

Архейская
(Археозойская)
Протерозойская
Палеозойская

Исуанский
Киватинский
Лаврентийский
Карельский: - нижний
- средний;
- верхний
Рифейский: -нижний
- средний;
- верхний
Вендский
Ранняя:
- Кембрийский
- Ордовикский
- Силурийский
Поздняя:
- Девонский
Каменноугольный
- Пермский

21
22

зима
весна
лето
осень
зима

40-45
55-58
70
41
25
0,7

4 330
4 390
4 460
4 509
4 574
4 600

230-235
190
135
65
26
0,7

Мезозойско-
кайонозойская
0 - 0,2

Фанерозой
("время явной жизни")

Мезозойская
Кайонозойская

Триасовый
Юрский
Меловой
Палеогеновый
Неогеновый
Антропогеновый

Строение поверхности Земли, как и других планет земной группы, определяется эндогенными (тектоника глобальных материковых плит) и экзогенными процессами (атмосферными, гидросферными, ледниковыми и т. д.).Теория развития ранней литосферы Земли в очаговых структурах вблизи экватора хорошо согласуется с данными о внутреннем строении планет земной группы. На Венере, Марсе и крупнейших планетоидах вулканические структуры и проявления тектонической активности также тяготеют к экваториальным областям.

Первичная атмосфера Земли состояла в значительной мере из водорода Н2, входившего ранее в состав протопланетной туманности и выделявшегося при дегазации земных недр. Атмосфера была гораздо плотнее современной и мощный парниковый эффект усиливал разогрев поверхности планеты.

Высокая температура атмосферы и, вероятно, интенсивные ударные бомбардировки привела к изменению ее состава. На рубеже 4,0-3,9 млрд. лет назад большая часть водорода улетучилась в космос или вошла в состав земных горных пород. Уход водорода снизил давление в атмосфере, на поверхности и в недрах планеты, уменьшил действие парникового эффекта. Атмосфера Земли стала состоять из смеси газов СО2, СО, N2, NН3, СН4, Н2О и других; кислород в ней практически отсутствовал. На изменение состава атмосферы влиял приток газов, выделявшихся из мантии. К этому времени закончился период интенсивной ударной бомбардировки Земли: количество выпадавшего на ее поверхность космического вещества снизилось до 108 кг/год. Луна постепенно удалялась от Земли, слабело действие приливных сил, разогревавших недра Земли и тормозивших ее вращение. Земля остывала. При снижении температуры поверхности Земли ниже 1500С в результате конденсации водяных паров возникали первые открытые водные бассейны.

Жизнь на Земле появилась, вероятно, в начале "лунного" этапа развития планеты, около 4,5-4,0 млрд. лет назад. Гетеротрофные микроорганизмы использовали для своего питания органические вещества, содержавшиеся в поверхностном слоем реголита, образовавшегося под действие солнечного излучения, температурных колебаний, ветров, дождей и метеоритной бомбардировки

3,85 млрд. лет назад на Земле возникли первые фотоавтотрофные микроорганизмы – предки одноклеточных сине-зеленых водорослей (цианобактерии).

Сложное взаимодействие анаэробных микроорганизмов со слоем поверхностного реголита, привели к образованию 3,8-3,5 млрд. лет назад слоя обогащенных органическими веществами "предпочв".

3,8 млрд. лет назад завершилось разделение недр Земли на ядро и мантию, основные характеристики и свойства которых стали сравнимыми с современными.

Около 3,8-3,5 млрд. лет назад в литосфере началось химическое преобразование (выплавление) гранитов.

К началу архея, 3,75 млрд. лет назад, на поверхности Земли образовались протоокеанские впадины и объединенные в "архипелаг" Археогеи протоматерики. За счет конденсации водяных паров из атмосферы и выделения воды из пород мантии (в объеме 0,3 км3 в год) сформировалась гидросфера Земли. В ее водах были в большом количестве растворены продукты вулканической деятельности: пары серной, соляной и фтористой кислот, углекислый газ и кремнезем.

В середине архейской эры Археогея "расползлась" на отдельные материки. В результате химических реакций воды океанов нейтрализовались и представляли собой хлоридный раствор с примесью сульфатов (соленость 1 %); к концу эры океаны стали карбонатно-хлоридными, в них накапливались карбонатные породы (известняки), связавшие в себе огромное количество атмосферного углекислого газа, соединений марганца и железа.

"Катархейский" этап эволюции Земли связан с образованием первичной континентальной литосферы и ядра будущих материков; в крупных прогибах - протогеосинклиналях накапливались осадочные и вулканические породы.

В результате образования внутреннего ядра Земли около 3 млрд. лет назад резко возросла мощность тепловых потоков из недр и, как следствие, активность тектонических и вулканических процессов. 80 % пород архея имеют вулканическое происхождение. По системам разломов между расползавшимися в разные стороны континентами возникли первые рифтовые структуры, в которых формировались метаморфизированные горные породы - гнейсы и кристаллические сланцы. В ходе переплавки и замещения одних химических соединений другими кора материков приобрела близкий к современному химический состав. Размеры и толщина континентов заметно увеличились. Тысячи действовавших вулканов выбрасывали в атмосферу огромное количество различных газов (СО2, СО, NH3, H2S, SO2), водяного пара, пыли и легких химических соединений. Давление воздуха у поверхности Земли составляло не менее 2-3 атмосфер при температуре от 700С до 1000С.

В конце архейской эры образовался новый суперматерик Прогея, просуществовавший несколько сотен миллионов лет.

На протяжение всего архея в морях и океанах образовались толщи карбонатных пород, в состав которых вошло значительное количество углекислого газа из атмосферы, и начало протерозойской эры, 2,6-2,5 млрд. лет назад плотность атмосферы снизилась, температура упала до 50-700С. Произошло первое мощное похолодание, сопровождавшееся обширным оледенением материков в полярных широтах. Это совпало по времени с распадом Прогеи и образованием зародышей некоторых современных океанов и крупнейших рифтовых структур. Соленость океанских вод достигла 2-3%, состав гидросферы стал похож на современный.

Около 2,5 млрд. лет назад сине-зеленые водоросли и другие микроорганизмы "изобрели" фотосинтез, обеспечивающий преимущество в борьбе за существование и более высокую организацию живой материи. К началу протерозоя жизнь стала экзогенным фактором планетарного масштаба. Постепенно, на протяжение десятков и сотен миллионов лет, жизнь стала оказывать все более мощное влияние на строение, химический состав, температуру и другие характеристики литосферы, гидросферы и атмосферы. Фотосинтез привел к полному уничтожению прежнего гетеротрофного органического мира, использовавшего для питания готовые органические вещества, и замене его новым, автотрофным, основанным на дыхании в окислительных условиях и разделению органического мира на растения и животные.

Ранний протерозой называют этапом образования фундаментов древних платформ, первых систем геосинклинальных прогибов и обширных участков материковой коры, объединившихся 1,8-1,7 млрд. лет назад в гигантский материк - Мегагею. Прообразом Тихого океана стал океан Панталлас, в водах которого при температуре 450-550С процветала жизнь. Сине-зеленые водоросли образовали залежи древнейших строматолитовых известняков и к концу эры накопления карбонатных пород сравнялись в объеме с образованием пород вулканических.

Около 1,8-1,7 млрд. лет назад появились первые многоклеточные существа.

...Усиление тектонических и вулканических процессов по окраинам будущих материков привели к распаду Мегагеи. Поздний протерозой не зря называют геосинклинально-платформенным этапом эволюции Земли: в эту эпоху произошло обособление древних платформ и возникновение всех геосинклинальных поясов фанерозоя. Началась глобальная перестройка литосферы Земли, связанная с изменением ее состава и структуры с превращением коры океанического типа в кору материкового типа. Высокая активность мантийных плюмов привела к массовым излияниям магмы из глубин мантии в земную кору. В результате переплавки осадочных пород возникли толщи анортозитов, сиенитов, гранитов, сформировались богатейшие месторождения металлов: 66 % мировых запасов железных руд, 50 % запасов марганца, меди, урана, титана, многочисленные месторождения хрома, никеля, кобальта, свинца, цинка, серебра и золота.

700 миллионов лет назад началось новое объединение континентов: Северо-Американского, Западно-Европейского, Австралийского и Сибирского в Северном полушарии и Южно-Американского, Африканского, Антарктического и Индостанского в Южном полушарии. Образовавшийся сверхконтинент Палеогея вскоре распался на 2 огромные части - Палеолавразию и Палеогондвану, разделенных океаном Палеотетис. Палеолавразия продолжала распадаться, нарушилось единство Южно-Американского, Африканского и Индо-Арктического континентов; между Северо-Американским и Европейским континентами возник океан Япетус.

Климат рифея (1,6-0,68 млрд. лет назад) был намного теплее современного, среднегодовые температуры составляли 330С–450С.

Венд (0,7-0,57 млрд. лет назад) стал временем бурного развития бесскелетных многоклеточных организмов: известно до 100 видов живых существ - кишечнополостных, кольчатых червей, членистоногих и первых иглокожих. В конце венда сокращение концентрации СО2 в атмосфере вкупе с другими, не известными до конца, причинами (в их числе называют столкновение Земли с несколькими крупными астероидами и кометами и т.д.) привели к сильному похолоданию с образованием полярных шапок, обледенением континентов и первым массовым вымиранием теплолюбивых организмов (до 80 % видов).

Рис. 15. Эволюция атмосферы Земли:
А - уход водорода из атмосферы; Б - появление фотосинтеза; В - образование озонового слоя

В начале палеозойской эры, 0,5 млрд. лет назад, содержание углекислого газа в атмосфере в 15-20 раз превышало современное значение, парниковый эффект увеличивал среднегодовые температуры, по сравнению с современными, в 2,5 раза. Теплый мягко-зональный климат способствовал широкому распространению разнообразных фотосинтезирующих водорослей. Жизнедеятельность фотосинтезирующих организмов привела к существенному изменению состава атмосферы - повышению концентрации свободного кислорода до 1 % и образованию озонового слоя, защищавшего живые существа от ультрафиолетового излучения Солнца и позволившего им заселить вначале мелководные прибрежные участки морей, а затем и сушу.

Произошел своеобразный "взрыв жизни", выразившийся в разнообразной и быстрой эволюции органического мира - от 2000 видов в кембрии до 15000 видов в силуре; до конца палеозойской эры возникли почти все основные ветви растений и животных. 50 % видов животных, населявших океаны и моря палеозоя, были членистоногие трилобиты; широко распространились кораллы, иглокожие, различные моллюски. Появились первые позвоночные: примитивные рыбы, в ордовике - первые хрящевые рыбы (акулы), в начале силура - панцирные рыбы.

Географическая карта Земли значительно отличалась от привычной: Северный полюс находился в районе современного Тихого океана (у экватора), Южный полюс у современного побережья Западной Африки; экватор был соответственно смещен на 900 и совпадал с 90-м и 270-м меридианами. Свыше 330 миллионов лет назад в Южном полушарии громоздился обширный суперконтинент Гондвана, отделенный Палеоатлантическим и Палеоазиатским океанами от группы северных материков, в основании которых лежали Северо-Американская и Восточно-Сибирская платформы. В эпоху "байкальской складчатости" сформировались горы Байкала, Восточного Саяна, районы Скандинавии, Индостана, Аравии и Южной Африки.

В течение всего раннего палеозоя земная кора была охвачена тектонически